Hohe Auszeichnung für Georg Nagel

26.05.2020

Drei Wissenschaftler erhalten in diesem Jahr den mit 1,2 Millionen US-Dollar dotierten Shaw-Preis für Biowissenschaften. Einer von ihnen ist Georg Nagel, Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie an der Universität Würzburg.

Georg Nagel - links zu sehen - ist ein Pionier auf dem Gebiet der Optogenetik. Dafür hat er zahlreiche Preise erhalten - jetzt ist ein weiterer dazugekommen. (Bild: Pressestelle Uni Würzburg)

Georg Nagel (Universität Würzburg), Gero Miesenböck (Universität Oxford) und Peter Hegemann (Humboldt-Universität Berlin) teilen sich den Shaw-Preis in Biowissenschaften und Medizin 2020. Ausgezeichnet werden sie für die Entwicklung der Optogenetik, „einer Technologie, die die Neurowissenschaften revolutioniert hat“, wie es in der Pressemitteilung der Shaw Prize Foundation in Hongkong heißt. Der Preis ist mit 1,2 Millionen US-Dollar dotiert und geht zu gleichen Teilen an die drei Wissenschaftler.

Georg Nagel ist seit 2004 Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Seit Juni 2019 ist seine Arbeitsgruppe am Physiologischen Institut – Abtlg. Neurophysiologie – angesiedelt. Die Entdeckung, für die er jetzt ausgezeichnet wurde, stammt aus den Jahren 2002/2003. „Sie liefert die Werkzeuge, die es uns heute ermöglichen, neuronale Netzwerke bei Versuchstieren zu verfolgen und zu regulieren“ und damit „das Gehirn zu verstehen“, wie es in der Laudatio heißt.

Neue Einblicke in die Arbeitsweise des Gehirns

Kurz gesagt ist es mit Hilfe der Optogenetik möglich, die elektrische Aktivität von Zellen – beispielsweise von Nervenzellen – mit Lichtimpulsen zu steuern. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können auf diese Weise beispielsweise neue Einblicke in die Arbeitsweise des menschlichen Gehirns erhalten und Krankheit wie etwa Parkinson, Depression oder Schizophrenie besser verstehen.

Gero Miesenböck hat 2002 den ersten Durchbruch in der Entwicklung eines optogenetischen Werkzeugs erzielt. Er verwendete dafür Rhodopsin, ein von Natur aus lichtempfindliches Pigment, das Basis der Sehkraft vieler Lebewesen ist. Miesenböck übertrug die Rhodopsin-Gene der Fruchtfliege Drosophila in eine Nervenzellkultur von Wirbeltieren. Danach zeigten die Zellen in der Kultur Muster neuronaler Aktivität, die durch Licht hervorgerufen wurden.

Gene aus Drosophila und Algen

Miesenböcks Entdeckung gab den Startschuss für das neue Forschungsgebiet der Optogenetik. Allerdings wies das Rhodopsin der Fruchtfliege aus Sicht der Wissenschaft noch zu viele technische Nachteile auf, beispielsweise eine zu geringe Reaktionsgeschwindigkeit. An diesem Punkt kamen Georg Nagel und Peter Hegemann ins Spiel. Nagel hatte schon 1995 zusammen mit Ernst Bamberg am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt erstmals nachgewiesen, dass sich eine lichtempfindliche Ionenpumpe aus Archaebakterien (Bacteriorhodopsin) in Wirbeltierzellen einbauen lässt und dort funktioniert. 2002/2003 gelang dieser Nachweis dann auch mit lichtempfindlichen Ionenkanälen aus Algen.

Gemeinsam mit Peter Hegemann zeigte Nagel in zwei 2002 und 2003 veröffentlichten Arbeiten die Existenz von zwei lichtempfindlichen Kanalproteinen, Channelrhodopsin-1 und Channelrhodopsin- 2 (ChR1/ChR2), auf. Entscheidend war die Entdeckung, dass ChR2 eine extrem schnelle, lichtinduzierte Veränderung des Membranstroms und der Membranspannung auslöst, wenn das Gen in Wirbeltierzellen exprimiert wird. Außerdem ist ChR2 durch seine geringe Größe sehr einfach in der Anwendung. Diese Entdeckung stellte den zweiten großen Schritt in der Entwicklung der Optogenetik dar. Die Entdeckung von ChR2 durch Hegemann und Nagel hat verschiedene funktionelle Anwendungen in einer Vielzahl von Zellen und Geweben ermöglicht.

Ein goldenes Zeitalter für die Forschung am Gehirn

„Als Ergebnis dieser grundlegenden, wissenschaftlichen Entdeckungen verfügen wir heute über die notwendigen Werkzeuge, um spezifische neuronale Netzwerke im Gehirn eines Tieres sichtbar zu machen und präzise zu steuern“, heißt es in der Laudation des Shaw-Preises. Diese Entdeckungen kündigten „ein goldenes Zeitalter für die Erforschung der Geheimnisse von Kognition und Emotion“ an. Damit sei es jetzt unter anderem möglich, psychiatrische Störungen auf der Ebene der Gene und Zellen zu definieren.

Zur Person

Georg Nagel wurde 1953 in Weingarten geboren. Er studierte Biologie und Biophysik an der Universität Konstanz und promovierte 1988 an der Universität Frankfurt. Nach seiner Postdoc-Zeit an der Yale University und der Rockefeller University in den USA kehrte er 1992 als Gruppenleiter in der Abteilung für Biophysikalische Chemie am Max-Planck-Institut für Biophysik nach Deutschland zurück. Seit 2004 ist er Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Universität Würzburg.

Für seine Beiträge zur Optogenetik wurde Nagel bereits mehrfach ausgezeichnet. Er ist Träger des Karl-Heinz-Beckurts-Preises (2010), des Wiley Prize in Biomedical Sciences (2010), des International Prize for Translational Neuroscience of the Gertrud Reemtsma Foundation (2012), des Prix Louis-Jeantet (2013) und des Grete Lundbeck Brain Prize (2013). Am 11. April 2019 erhielt er in Cambridge (USA) gemeinsam mit anderen Optogenetik-Pionieren den Rumford-Preis der American Academy of Arts and Sciences. Im Jahr 2015 wurde er zum Mitglied der EMBO (European Molecular Biology Organisation, Heidelberg) gewählt.

Der Shaw-Preis

Der Shaw-Preis wurde im November 2002 von dem Medienunternehmer Run Run Shaw ins Leben gerufen; er wird heute von der Shaw Prize Foundation mit Sitz in Hongkong verwaltet. Mit dem Preis werden Persönlichkeiten geehrt, die „herausragende Beiträge in der akademischen und wissenschaftlichen Forschung oder Anwendung geleistet haben“. Er wird jedes Jahr in drei Kategorien vergeben: Astronomie, Biowissenschaften und Medizin sowie Mathematik.